Automotive Coatings Formulation: Chemistry, Physics und Practices

3.9 Reductions in solvent emissions
Calls to reduce solvent emissions from the application of paints date back to the 1950s. The 
demands focused on industrial processes, especially automotive OEM coatings applications. The 
first reason was to minimise the risk of explosion when solvent vapours and air are mixed. How-
ever, around the same time, there was the concern about the hazards posed to humans who came 
into contact with paint materials and solvent emissions. At that time, the dipping tanks for prim-
ers (solvent-borne) were the primary source of solvent emissions. Solvent-borne primers were 
subsequently replaced by water-borne primers and ultimately by 
electro deposition primers
[175]
. 
Following the sharp rise in oil prices in the early 1970s, it became necessary to cut consumption of 
oil-based solvents. There are basically four ways to cut consumption and emissions of solvents:
• 
develop high-solid coatings
• 
use systems without any solvents (liquid film formers, powder coatings)
• 
develop water-borne coatings
• 
optimise application methods (increase transfer efficiency)
After water-borne electro deposition primers were introduced into the automotive OEM applica-
tion process, 
metallic basecoats
were now the largest source of solvent emissions. For example, 
a conventional silver metallic basecoat has an application solid of 13 % by weight, which means 
that 87 % by weight solvent must evaporate. Expressed in terms of volume fractions – with allow-
ance for the different densities of the ingredients of such basecoats (aluminium 2.7 g/cm
3
, resins 
Automotive OEM coatings

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201
1.2 g/cm
3
, and solvents 0.85 g/cm
3
) – the figures are 8.9 % by volume solid and 91.1 % by volume 
solvents. Covering 1 m
2
surface with a basecoat 15 µm thick leads to emissions of 130.5 g solvent. 
Where transfer efficiencies from conventional spray guns are less than 60 %, emissions even 
exceed 218 g solvent per m
2
. The application solid content was raised by selecting lower-molecu-
lar resins or alternative resins of optimum solubility along with suitable rheological additives. 
Medium-solid basecoats are the largest class of solvent-borne basecoats currently used in Europe. 
The application solid of a silver basecoat (comparable to the type described above) is about 22 % by 
weight 
[141]
. Solvent emissions from such basecoats have fallen to 69 g/m
2
, a figure which is nearly 
half that of low-solid basecoats (130.5 g/m
2
). High-solid basecoats are primarily used in the USA, 
where application solid are 25 % by weight or even higher (for silver basecoats) 
[142]
. The amount 
of solvent emitted from such high-solid basecoats is 36.2 g/m², or just 28 % of the figure for the 
low-solid basecoats previously employed. Table 3.9.1 lists formulations for different basecoats and 
the corresponding solvent emissions.
However, increasing the solid content of basecoats has given rise to some problems. Application 
robustness is lower than for low-solid basecoats. Optimisation of medium-solid basecoats which 
faithfully reproduce the colours and effects of the low-solid basecoats requires significant effort 
both in formulation and in the application process. High-solid basecoats offer less application 
robustness. It is no longer possible to duplicate the colour and effect of some very bright and light 
coloured, low-solid basecoats. In Europe, especially, where customers request such colours, calls 
to reduce solvent emissions have been increasing and have culminated in the development of 
water-borne basecoats
[148]
. Water-borne basecoats still contain some solvent, known as cosolvents, 
in addition to water as a liquid phase. The cosolvents boost the stability, application robustness, 
and levelling of such basecoats. Water-borne basecoats have a much lower solvent content than 
high-solid basecoats. However, the total solid content is comparable to that of medium-solid base-
coats, for example 22 % by weight. The solvent content of such a water-borne basecoat (silver-grey) 
may be about 10 %. The calculated level of solvent emissions is 8.9 g solvent per m
2
. That is just 
6.8 % of the emissions from low-solid solvent-borne basecoats of the same colour. Table 3.9.2 com-
pares the formulation for, and calculated solvent emissions, from a medium-solid basecoat and 
a water-borne basecoat. In addition to the optimum low-solvent content, water-borne basecoats 
that have the same solid content as medium-solid basecoats go a long way towards meeting the 
requirements on colour, effect, and application robustness.
The conventional